Tipos de Auscultación de Presas

AUSCULTACIÓN DE PRESAS

Nicolás Gutiérrez Carmona

Director de Obras y Proyectos de ACUAES y Director

de Explotación de la Presa de Montoro III (Ciudad Real)

La explotación de una presa = Finalidad de la presa

La información es poder

I.1.- El Reglamento Técnico de Seguridad de Presas y Embalses

Es el marco de referencia técnica junto con guías técnicas

De aplicación obligada en presas de titularidad del MIMARM o sean objeto de concesión administrativa por dicho Ministerio

Una presa pueda entrar en explotación si tiene aprobados:

Plan de puesta en carga

Plan de emergencia

Normas de explotación:

o Programa normal de embalses y desembalses

o Resguardos mínimos estacionarios

o Actuaciones específicas en caso de avenidas

o Programa de auscultación e inspecciones periódicas

o Programa de mantenimiento y conservación

o Sistema de preaviso en desembalses normales

o Estrategias a seguir en situaciones extraordinarias

o Sistemas de alarma

I.- INTRODUCCIÓN

I.2.- Concepto de Auscultación

Según el CNEGP:

“Conjunto de actividades destinadas a conocer el

comportamiento real de una presa, durante una

determinada época o a lo largo de toda su vida útil,

que se llevan a cabo mediante técnicas especiales de

medición, con aparatos o sensores determinados y

que, con un posterior proceso de depuración y análisis

de los datos obtenidos, permiten profundizar en la

seguridad global de una presa”

1.3.-Objetivos de la Auscultación de una presa

Prevenir anticipadamente y evitar situaciones futuras que puedan

dar lugar a roturas, accidentes e incidencias no deseadas

Controlar parámetros que determinen el comportamiento de la

presa y por tanto su seguridad

Reducir incertidumbres y aumentar la confianza sobre el

comportamiento futuro de la presa

Economizar y racionalizar la construcción y/o explotación partiendo

de datos realmente medidos

Conocer el comportamiento de la presa (en obra o en explotación)

Especial importancia de la auscultación de presas

La seguridad de una presa, no depende solo de un buen proyecto y correcta ejecución. Hay que considerar la vigilancia a lo largo de toda la vida de la misma.

AUSCULTACIÓN

• Defectos ocultos que aparecen tras largos periodos de tiempo

• Tiempos de llenado que pueden tardar muchos años

• Envejecimiento y degradación de los materiales

• Sistema de auscultación estadístico no abarca la totalidad de la

•El fallo de la infraestructura puede provocar daños

catastróficos

I.4.-Escenario temporal de la auscultación de una presa

El Plan de Auscultación de una presa se debe considerar durante

las siguientes fases en la vida de una presa:

1.- Durante estudios previos y en la redacción del proyecto

2.- Durante la construcción: datos y control de calidad

3.- Durante la primera puesta en carga

4.- Durante la explotación

5.- Durante el abandono

II.1.- El Proyecto de Auscultación

II.- Sistemas de auscultación

- Realizado por un Ingeniero cualificado

- Dirigido por el Director del Proyecto de la Presa (mayor conocimiento

de ella)

- Parte del Proyecto de la presa

- Consta de dos partes:

- Qué magnitudes o parámetros deben medirse y vigilarse

- Cómo se deben vigilar y controlar dichos parámetro

- Se tratará de un proyecto vivo que se vaya adecuando a las

necesidades y circunstancias de la presa

Fases del P. de Auscultación

II.2.- Magnitudes a medir

A) Variables de control externo (de causa)

1.-Meteorológicas y ambientales

Tª en el aire

Tª Agua en el embalse

Precipitaciones de lluvia y nieve

Viento

Evaporación

2.- Hidráulicas (carga hidrostática)

Nivel del embalse

3.- Dinámicas (Sismicidad inducida y ambiental)

Velocidades

B) Variables de control interno (magnitudes de efecto)

B.1.) En presas de hormigón

1.-Hidráulicas

Filtraciones en galerías

Filtraciones aguas debajo de la presa

Subpresiones y niveles piezométricos

2.- Deformacionales (estructura y cimiento)

Desplazamientos absolutos horizontales y verticales

Desplazamientos relativos:

Entre bloques

Entre cuerpo de presa y cimientos

Entre elementos singulares (zonas de fallas)

Movimientos en juntas y fisuras

Movimientos y deformaciones en fallas y accidentes geológicos

Deformaciones en el hormigón

3.- Térmicas

Temperaturas internas del hormigón

Temperaturas en los paramentos de la presa (aguas arriba y aguas abajo)

4.- Tensionales

Tensiones en la estructura y esfuerzos transmitidos a los

cimientos

5.- Volumétricas

Cambios volumétricos del hormigón (expansión y retracción

6.- Dinámicos (efectos de los sismos)

Aceleraciones

Desplazamientos

B.2.) En presas de materiales sueltos

1.-Hidráulicas

Filtraciones en galerías

Filtraciones aguas abajo de la presa

Presiones intersticiales en núcleos impermeables

Presiones intersticiales en filtros y manto drenante aguas abajo

Presiones intersticiales en filtros de disipación de presiones

Niveles piezométricos en contactos de núcleos impermeables con la cimentación

Niveles piezométricos en la cimentación

2.- Deformacionales (estructura y cimiento)

Desplazamientos absolutos horizontales y verticales

Deformaciones diferenciales:

Entre núcleo y espaldones

En contacto núcleo – estribos en zonas de fuerte pendiente

Deformaciones verticales y horizontales

Deformaciones de la cimentación

Deformaciones de la pantalla impermeable

Movimientos y deformaciones en fallas y accidentes geológicos

Deformaciones en el hormigón

Movimientos de las juntas entre pantalla de hormigón – plinto soporte

Movimiento de las juntas del plinto

Movimientos en núcleos de productos asfálticos

3.- De cargas

Presiones totales en núcleo

Presiones efectivas en núcleo

Empuje efectivo en zonas de contacto de núcleo con aliviadero o en

zonas singulares

4.- Tensiones en pantallas de hormigón

Tensiones en la pantalla y zonas de empotramiento.

II,3,- Criterios de selección de las variables a auscultar

• Tipología de la presa.

• La experiencia.

- Estudio de accidentes en el pasado.

- Estudio de incidentes que se subsanaron a

tiempo

III.1.- Definiciones

Sensor: elemento de suficiente precisión para obtener información de un parámetro

Transductor: elemento que transforma una magnitud física a una magnitud eléctrica que se puede emitirse a distancia

Precisión: grado de exactitud con la que es capaz de medir un equipo

Sensibilidad: Menor valor de magnitud física que es capaz de medir un instrumento

Resolución: Menor valor de magnitud física capaz de observar un operador con un equipo.

Rango: Intervalo en el cual un aparato es capaz de medir con fiabilidad una magnitud física

III.- Aparatos de Auscultación

Por la naturaleza de los datos obtenidos:

Movimientos relativos en juntas y fisuras.

Desplazamientos.

Deformaciones.

Filtraciones.

Presiones.

III.2.- Clasificaciones

Según el principio físico en el que se

basan:

Temperaturas

Medida directa de magnitudes físicas

(distancia, tiempo, etc.)

Resistivos.

Efecto Seebeck (Termopares).

Hilo vibrante.

Presión hidrostática.

III.3.- Control de Magnitudes de EFECTO

4. Aparatos de

Auscultación

III.3.1.1.- Medidores tridimensionales: calibres

•Miden el desplazamiento relativo en las tres

dimensiones:

- Apertura

- Profundidad

- Deslizamiento

• Campos de aplicación:

• Control de desplazamientos relativos entre

bloques de presas de fábrica y control de fisuras.

• Presentan una formulación muy sencilla:

- Desplazamiento = Lectura - Lectura Original

III.3.1.- Para el control de movimientos relativos en juntas y fisuras

Apertura

Deslizamiento

Profundidad

Nota: ojo al criterio de signos (no esta normalizado)

III,3,- MAGNITUDES DE EFECTO

• Miden el desplazamiento relativo en el plano del aparato:

- Apertura

- Deslizamiento (menos los de 2 tornillos)

- Para medir las 3 direcciones hacen falta 2 bases.

- Control de desplazamientos relativos entre bloques de presas de

fábrica y control de fisuras.

•Presentan una formulación algo más compleja que los medidores

tridimensionales.

- Apertura = Lap - Lap0

- Deslizamiento = 1/raíz(3)x((Lap- Lap0)-2x(Ldz- Ldz0))

III.3.1.2.- Medidores bidimensionales: bases de elongámetros

III.3.1.3.- Medidores unidimensionales: medidores de juntas

• Se emplean en juntas y fisuras no accesibles.

• Se dejan embebidos en el hormigón durante la fase de

construcción.

• Fundamentalmente dos tipologías de transductores:

- Resistivos:

- Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un hilo

conductor al ser sometido a una deformación.

- Cuerda vibrante:

-Se basa en la variación de la frecuencia de vibración de un hilo

en función de su estado tensional (cuerda de una guitarra).

= K * f 2

Movimiento Relativo en Juntas y FisurasMovimiento [mm]

ene-90 ene-92 ene-94 ene-96 ene-98 ene-00 ene-02 ene-04

100,00

150,00

200,00

250,00

ELO - 01 Apertura ELO - 01 Deslizamiento Cota de Embalse [m.s.n.m.]

III.3.2.- Desplazamientos globales

III.3.2.1.- Desplazamiento horizontales: Péndulos

• Péndulo directo:

- Mide movimientos relativos horizontales del cuerpo de presa

(Radial y tangencial).

- No detecta desplazamientos que afecten a toda la presa

(deslizamiento del cimiento).

• Péndulo invertido

- Mide movimientos horizontales absolutos del cuerpo de presa

(Radial y tangencial).

- Es habitual combinarlo con péndulos directos y poder así referir

todos los movimientos al punto fijo.

• Campos de aplicación

- Desplazamientos horizontales en presas de fábrica.

Péndulo

directo

Péndulo indirecto

4. Aparatos de

Auscultación

• Combinación de péndulos

La combinación se hace debido a:

- Geometría

-Tensión insuficiente en el hilo para presas muy altas.

• Sistemas de lectura:

- Plancheta:

· Gran variedad de tipologías

·Precisión suficiente y mantenimiento mas sencillo.

- Coordinómetro óptico:

· Instrumento muy preciso.

· Móvil y por tanto más expuesto a descorregirse o

estropearse.

Ejemplo de movimiento Radial de un pénduloMovimiento Radial [cm]

-10,00

ene-80 dic-81 ene-84 ene-86 ene-88 ene-90 ene-92 ene-94 ene-96 ene-98 ene-00 ene-02

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

PÉNDULO 1 Radial - B0 PÉNDULO 1 Radial - B1 PÉNDULO 1 Radial - B2 PÉNDULO 1 Radial - B3 PÉNDULO 1 Radial - B4 Cota de Embalse [m.s.n.m.]

• Dispositivo que permite determinar el movimiento en la

dirección de las varillas relativo entre la la cabeza del

extensómetro y uno o varios puntos a distintas profundidades del

cimiento.

- Detectar asientos en el cuerpo de presa y cimiento.

- Punto inicial de una red de nivelación.

• Es frecuente dotar al extensómetro con medidores de

temperatura para realizar correcciones por efectos de dilatación

de las varillas.

Otra opción: varillas de INVAR aunque resulta una solución

mucho mas cara.

III.3.3.- Desplazamientos relativos:

III,3,3,1,- Extensómetros de varillas

- El número de varillas es variable. Normalmente

son de 1 a 4 varillas.

- Pueden ser verticales o inclinados. Estos últimos

presentan mas problemas de montaje.

- La varilla más larga se ancla a una profundidad

suficiente para poder considerarla anclada a un

punto fijo.

III.3.3.2.- Desplazamientos verticales: Célula de asiento

• Se basan en el principio de vasos comunicantes.

• Miden desplazamientos verticales (asientos).

- Control de asientos en presas de materiales sueltos.

III.3.3.3.- Movimientos de giro: Clinómetros

• Miden los movimientos de giro en relación con una horizontal o

una vertical.

- Giros en presas de fábrica.

• Existen diversos aparatos según el fundamento físico:

- Clinómetro de burbuja.

- Clinómetro de péndulo (transductor de tipo inductivo).

- Servo-acelerómetros.

• Son aparatos muy sensibles que requieren una precisión muy alta

(2” o 0,01 mm/m o superiores).

4. Aparatos de

Auscultación

III.3.4.- Filtraciones

III.3.4.1.- Aforadores: aforadores thompson y aforadores de tubo

• Aforador Thompson es un vertedero triangular en pared delgada.

Su curva de desagüe es conocida.

- Q = k*h5/2

- la constante k depende de la geometría del aforador (ángulo del

vertedero)

• Los aforadores de tubo se aforan midiendo el tiempo que

transcurre en llenar un recipiente de volumen conocido.

- Q = Volumen/tiempo

• Los aforadores generalmente se instalan sectorizando la presa y

poder así zonificar los caudales de filtración.

4. Aparatos de

Auscultación

III.3.4.2.- Drenes

• Drenes: Son dispositivos que transforman presión en

caudal.

• Imprescindibles para la seguridad de las presas,

fundamentalmente de gravedad, al contrarrestar la

subpresión.

• Permiten detectar fallos en la pantalla de

impermeabilización y en el cimiento de la presa.

• Se pueden aforar individualmente o por zonas, midiendo el

caudal total en una canaleta que recoja los caudales vertidos

por los drenes.

• Campo de aplicación:

- Drenaje del cimiento.

- Aforo de caudales de drenaje o medición del nivel freático.

Red de

drenaje en

cimientos Red de

impermeabilización

Red de

drenaje en

fábrica

Subpresión

Carga de

4. Aparatos de

Auscultación

Ejemplo de caudal aforadoCaudal [l/min]

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

DREN ZONA ED Caudal Cota de Embalse [m.s.n.m.]

III.3.5.- Presiones

• Miden la presión intersticial, es decir, presión del agua.

- Control de la subpresión en el cimiento.

- Control de presiones intersticiales en el núcleo de una presa de

materiales sueltos.

III.3.5.1.- Piezómetros

Piezómetros de cuerda vibrante

III,3,5,2,- Células de presión intersticial

III,3,5,3,- Células de presión total

4. Aparatos de

Auscultación

• Miden la presión total.

- Control de la presión total en el cuerpo de presa de

una presa de materiales sueltos.

- Control de la presión total en el contacto presa -

cimiento.

• En general se basan en un transductor de cuerda

vibrante.

4. Aparatos de

Auscultación

Ejemplo de lectura de presión intersticialPresión [kg/cm2]

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

P - 15 Presión Cota de Embalse [m.s.n.m.]

4. Aparatos de

Auscultación

4. Aparatos de

Auscultación

III.3.5.4.- Temperatura: Termorresistencias y termopares

4. Aparatos de

Auscultación

• Termorresistencias

- Se basan en la variación de la resistencia eléctrica cuando

varia la temperatura:

· Rt = R0(1+ t) [: coeficiente térmico de la resistencia]

- Se necesita medir resistencias con gran precisión: Puentes

Wheatstone.

- Materiales más frecuentes: Platino, níquel o aleación. • Termopares

- Se basan en el efecto Seebeck.

·e = (T1-T2)

- Materiales mas frecuentes: cobre y constatan.

- Muy robustos.

4. Aparatos de

Auscultación

-Temperatura del hormigón en presas de fábrica.

- Existen más aparatos que miden la temperatura pero que

su función primordial no es esa: extensómetros Carlson y

Bimetálicos y medidores de junta.

Ejemplo de lecturas de temperaturaTemperatura [ºC]

ene-89 ene-91 ene-93 ene-95 ene-97 ene-99 ene-01 ene-03 ene-05

100,00

150,00

200,00

250,00

T - 21 Temperatura Cota de Embalse [m.s.n.m.]

4. Aparatos de

Auscultación

III.3.5.1.- Extensómetros

• Fundamentalmente de 2 tipos:

- Cuerda vibrante

- Eléctricos tipo Carlson

• En realidad son transductores que miden variaciones de

longitud (Medidores unidimensionales).

• Pueden servir para estudiar el estado tensional del hormigón

pero para ello debe conocerse su módulo de deformación real.

• Muy útiles para estudiar la evolución del hormigón: Problemas

expansivos.

4. Aparatos de

Auscultación

III.3.5- Deformaciones

4. Aparatos de

Auscultación

• Extensómetros de Cuerda Vibrante

- Miden deformación total.

• Extensómetros de tipo Carlson

- Son capaces de medir deformación No Térmica.

4. Aparatos de

Auscultación

• Se disponen en grupos bidimensionales o tridimensionales (Rosetas

extensométricas) cuando se trata de presas arco.

• Es importante instalar extensómetros correctores (aislados

tensionalmente).

Extensómetro corrector

III.3.5.2.- Extensómetro Bimetálico

4. Aparatos de

Auscultación

Varilla

bronce

Varilla

Apoyos

teflón

4. Aparatos de

Auscultación

Los extensómetros bimetálicos se emplean para determinar

deformaciones en bases de gran longitud.

Se emplean en galerías, paramentos, casetas de mando y otras

zonas accesibles.

Se emplean barras de coeficientes de dilatación térmica lo más

diferente posible (bronce y acero). Con ello se consigue corregir la

deformación del extensómetro debido a las variaciones térmicas.

Ejemplo de lectura de deformación en un extensómetro correctorDeformacion [mdef]

-1000,00

-800,00

-600,00

-400,00

-200,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

Carlson - 224H Deformación No Térmica Carlson - 224H Deformación Térmica Carlson - 224H Deformación Real Cota de Embalse [m.s.n.m.]

4. Aparatos de

Auscultación

4. Aparatos de

Auscultación

4. Aparatos de

Auscultación

Los métodos topográficos se basan en la determinación de la

posición de puntos de la presa en relación con otros que se

consideran fijos, mediante la medición de ángulos y distancias.

En la auscultación de presas se llevan a cabo principalmente:

• Triangulación

Utilizada para determinar los movimientos horizontales de la presa.

• Colimación

Utilizada para determinar los movimientos horizontales radiales de la

presa.

Mucho más sencillo que las triangulaciones pero exige alineaciones

rectas (no se pueden llevar a cabo en presas de planta curva.)

III.3.6.- Desplazamientos. Métodos topográficos

4. Aparatos de

Auscultación • Nivelación

Utilizada para determinar los movimientos verticales de la presa.

En general se llevan a cabo en la coronación. En presas de gran altura

se suelen realizar también nivelaciones en las galerías intermedias.

En general la triangulación y colimación se emplean como

comprobación y reiteración de otros métodos de medida como son

los péndulos.

En presas de materiales sueltos adquiere más importancia el

control de movimientos horizontales por medios topográficos al no

disponer de péndulos.

La nivelación es el método más frecuente en auscultación de

presas para el control de movimientos verticales.

4. Aparatos de

Auscultación

4. Aparatos de

Auscultación

III.4.- Control de Magnitudes de Causa

4. Aparatos de

Auscultación

4. Aparatos de

Auscultación

III,4,1,- Cota de embalse

• Magnitud de cause más importante tanto para la seguridad como

para la explotación de la presa.

• Gran diversidad de instrumentación:

- Limnímetros.

- Balanza hidrostática.

- Manómetros de precisión.

- Sensores piezorresistivos.

III.4.2.- Condiciones ambientales

• Temperatura, precipitaciones, presión barométrica. Son magnitudes

de causa menor importancia pero fundamentales para el análisis de

los datos de auscultación.

• Instrumentación:

- Estación meteorológica

- Termómetros de máxima/mínima o termógrafos

- Pluviómetros

III.4.3.- Actividad sísmica

Instrumentación:

Sismógrafos. Sólo en zonas de actividad sísmica importante y

en el caso de presas de gran importancia.

4. Aparatos de

Auscultación

5. Frecuencia de medidas y

observaciones

IV. Frecuencia de medidas y observaciones

La frecuencia de las medidas y observaciones depende

- la fase de la vida en la que se encuentre la presa.

- Antecedentes.

- Tipo de parámetro del que se trate.

Se pueden diferenciar tres etapas en la vida de una

presa:

- 1º llenado.

- Explotación.

- Puesta fuera de servicio.

5. Frecuencia de medidas y

observaciones

6. El Vigilante de presas

V. El Vigilante de presas

Es la persona encargada de realizar los recorridos,

medidas y observaciones de forma periódica y regular

siguiendo el plan de Auscultación y Vigilancia incluido en

las Normas de Explotación de la presa.

Es la persona encargada del mantenimiento básico que

requiere los dispositivos auscultación así como conservar

en buen estado los equipos de lectura.

La inspección visual es fundamental y su valor es

incalculable. La auscultación es una discretización de la

presa y como tal puede no captar problemas que se

detectan a simple vista.

Nadie conoce mejor la presa que el Vigilante que lleva

años realizando las labores de auscultación.

Se debe evitar en todo lo posible la rotación de personal

debido a:

El conocimiento de la presa.

Consistencia en la metodología de lectura y por tanto en los

datos obtenidos.

6. El Vigilante de presas

7. Mantenimiento y Calibración

El mantenimiento en la auscultación tiene como objetivo

asegurar que todos los dispositivos se encuentren en el

estado idóneo para su lectura. Las tareas más habituales

son entre otras:

• Limpieza.

• Engrase.

• Mantenimiento de los sistemas de iluminación.

• Reponer aparatos defectuosos, dañados o que hayan quedado

fuera de rango.

Una tarea de especial relevancia dentro del

mantenimiento de la auscultación es la limpieza y

rehabilitación de drenes.

• Mediante trépanos para eliminar pequeñas obstrucciones.

• Rehabilitación mediante chorro de agua (600 bares). En

principio se ejecuta cada 5-10 años en función de cómo

evolucionan los caudales drenados en la presa.

La calibración tiene como objetivo asegurar la bondad

de las lecturas comprobando que los equipos efectúan las

medidas correctamente.

• En la mayoría de los equipos de medida directa (comparadores,

elongámetros, etc.) los instrumentos disponen de unas galgas de

INVAR que se utilizan para asegurar su buen funcionamiento.

Se trata de una labor de verificación continua. Si se detecta

un fallo en el equipo se ajusta de nuevo o se envía a la casa

especializada para su calibración.

• Equipos más especializados se calibran de acuerdo a

procedimientos de calidad: comparación con equipo patrón que

debe estar certificado (AENOR, Universidades, laboratorios, etc.)

- Equipos topográficos.

- Manómetros.

- Coordinómetros ópticos.

Tipos de Auscultación de Presas

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